大型船舶重力拋錨控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王恒智，張 雷，胡發(fā)國(guó)，張 彪，楊龍霞

（1. 武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

錨機(jī)是船舶錨系泊系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，其主要用途是收、放（拋）錨和錨鏈，使船舶在錨地實(shí)現(xiàn)停泊，或在狹水道航行時(shí)緊急避讓等特殊情況下配合車、舵共同控制船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。重力拋錨（或稱自由拋錨）是錨機(jī)的一項(xiàng)重要功能，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)錨機(jī)實(shí)現(xiàn)上述用途具有重大影響。

現(xiàn)階段，船舶重力拋錨控制仍主要依靠人工操作實(shí)現(xiàn)[1]，這種控制方法對(duì)操作者技能水平要求較高，一旦出現(xiàn)失誤將會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞錨系泊設(shè)備甚至危及操作人員生命安全。隨著船舶大型化、智能化的趨勢(shì)，人工控制已逐漸不能滿足使用需求。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文結(jié)合某型船用液壓起錨機(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，提出一種重力拋錨控制系統(tǒng)方案，可為類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 重力拋錨控制原理

重力拋錨控制的核心是速度控制，但為實(shí)現(xiàn)速度控制的自動(dòng)化，必須使系統(tǒng)擁有識(shí)別設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的能力。一個(gè)可行的方案是在離合器、制動(dòng)器上均設(shè)置傳感器以判斷其所處狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到表1中序號(hào)a對(duì)應(yīng)組合時(shí)，即可判定進(jìn)入重力 拋錨工況。

表1 離合器、制動(dòng)器狀態(tài)與錨機(jī)工況對(duì)應(yīng)關(guān)系

重力拋錨控制流程如圖1所示，當(dāng)觸發(fā)重力拋錨速度控制程序后，PLC開(kāi)始控制制動(dòng)器壓力閥動(dòng)作，降低作用在錨鏈輪上的扭矩直至錨鏈輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。錨鏈輪軸上安裝有編碼器，系統(tǒng)通過(guò)讀取編碼器信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控錨鏈輪轉(zhuǎn)速N并與預(yù)設(shè)值N0進(jìn)行對(duì)比判斷。當(dāng)N＜N0時(shí)，系統(tǒng)逐漸降低制動(dòng)力提高錨鏈輪轉(zhuǎn)速；當(dāng)N≥N0時(shí)，系統(tǒng)逐漸增大制動(dòng)力降低錨鏈輪轉(zhuǎn)速。這一過(guò)程往復(fù)循環(huán)使得拋錨速度在某一限定區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)重力拋錨速度控制功能。當(dāng)按下制動(dòng)器抱閘按鈕后，PLC驅(qū)動(dòng)剎車控制閥將制動(dòng)扭矩提升至最大，使錨鏈輪完全停止。

圖1 系統(tǒng)控制流程圖

2 重力拋錨控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有錨機(jī)制動(dòng)器絕大多數(shù)采用帶式制動(dòng)器，這種制動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制動(dòng)力矩大，制動(dòng)力施加平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)[2]。按照動(dòng)力來(lái)源劃分，常見(jiàn)的有手動(dòng)式、油壓與彈簧聯(lián)合作用式、彈簧式3類（見(jiàn)表2）[3]。

表2 各類制動(dòng)器特點(diǎn)比較

對(duì)于本項(xiàng)目而言，錨機(jī)所處甲板空間較為寬裕，且整船對(duì)錨機(jī)的重量變化不敏感。基于此，為了提高安全性和可靠性，選擇彈簧式作為錨機(jī)制動(dòng)器，即所有制動(dòng)力均由制動(dòng)器油缸彈簧提供。

制動(dòng)器工作原理為：油缸與連桿一端A通過(guò)滑動(dòng)銷相連，連桿中部通過(guò)銷軸鉸接在機(jī)座固定點(diǎn)B上，連桿另一端C與帶式制動(dòng)器松邊通過(guò)銷軸鉸接；當(dāng)PLC控制閥件使油液進(jìn)入油缸無(wú)桿腔時(shí)，油缸內(nèi)彈簧被壓縮，活塞桿伸出，制動(dòng)器松閘；當(dāng)PLC切斷控制閥油路時(shí)，油液在有桿腔內(nèi)彈簧作用下被壓出，活塞桿縮回，制動(dòng)器抱閘。見(jiàn)圖2。

圖2 彈簧帶式制動(dòng)器原理

制 動(dòng) 器輸出扭矩與油缸拉力之間的關(guān)系為[2]

式中：T為制動(dòng)器輸出扭矩，N·m；FC為油缸拉力，N；η為制動(dòng)器傳動(dòng)總效率；D為制動(dòng)輪直徑，m；e為自然底數(shù)；μ為制動(dòng)帶與制動(dòng)輪間摩擦系數(shù)；α為制動(dòng)器理論包角，(°)。

油缸拉力與控制油壓的關(guān)系表述為

式中：FS為油缸有桿腔內(nèi)彈簧預(yù)壓縮力，N；P為控制油壓，MPa；A為油缸無(wú)桿腔面積，mm2。

本文的帶式制動(dòng)器具體參數(shù)如表3所示。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

出于安全性和可靠性考慮，液壓系統(tǒng)采用獨(dú)立回路和冗余備份設(shè)計(jì)。液壓控制回路原理如圖3所示，重力拋錨控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，壓力油從A口經(jīng)過(guò)安全減壓閥、電比例調(diào)壓閥后，再經(jīng)過(guò)電磁兩位四通換向閥進(jìn)入制動(dòng)器油缸無(wú)桿腔，有桿腔液壓油經(jīng)過(guò)兩位四通換向閥從B口返回油箱。

表3 錨機(jī)制動(dòng)器主要參數(shù)

圖3 液壓控制回路原理圖

安全減壓閥設(shè)定為固定值，限制進(jìn)入制動(dòng)器油缸的最高壓力。電比例調(diào)壓閥由PLC控制，根據(jù)錨鏈輪轉(zhuǎn)速變化實(shí)時(shí)調(diào)整制動(dòng)器油缸輸出力大小，從而控制錨鏈輪轉(zhuǎn)速。電磁兩位四通換向閥同樣由PLC控制，重力拋錨過(guò)程中，換向閥電磁鐵得電切換至左位，配合電比例調(diào)壓閥完成速度控制；停止拋錨時(shí)，換向閥電磁鐵失電，閥芯在彈簧作用下回復(fù)至右位切斷油路，制動(dòng)器在彈簧作用下抱閘剎停錨鏈輪。

液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

該系統(tǒng)中的泵采用用一備一的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)任意一臺(tái)泵出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍能啟動(dòng)另一臺(tái)泵以確保制動(dòng)器正常工作；安全減壓閥和電比例調(diào)壓閥可實(shí)現(xiàn)雙重壓力保護(hù)，避免制動(dòng)器油缸因壓力過(guò)高發(fā)生損壞；電磁換向閥零（右）位對(duì)應(yīng)制動(dòng)器抱閘，保證系統(tǒng)失電時(shí)制動(dòng)器自動(dòng)抱閘。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)基于PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取閉環(huán)控制策略（見(jiàn)圖4）。PLC模塊中高速計(jì)數(shù)通道讀取錨鏈輪編碼器轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)換算處理后獲得錨鏈輪轉(zhuǎn)速信息，對(duì)比判斷后由 CPU模塊控制4 mA～20 mA模擬量輸出通道改變液壓系統(tǒng)中電比例調(diào)壓閥輸出值，調(diào)整制動(dòng)力大小以改變錨鏈輪轉(zhuǎn)速。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PLC中重力拋錨控制函數(shù)設(shè)置為受錨鏈輪轉(zhuǎn)速N控制的分段函數(shù)

式中：y為電比例調(diào)壓閥控制信號(hào)，與控制油壓P呈正比，mA；t為時(shí)間變量，每段函數(shù)皆從0開(kāi)始，s；k0、k、-k為變化速率，mA/s；N為錨鏈輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；N0為錨鏈輪預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速，r/min。

式（3）物理意義如下：當(dāng)按下制動(dòng)器松閘按鈕進(jìn)入重力拋錨工況后，PLC以斜率k0快速提高電比例調(diào)壓閥輸出壓力至臨界值P0，達(dá)到制動(dòng)力略小于外負(fù)載的臨界狀態(tài)，隨后錨鏈輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)（N＝0段）；此時(shí)PLC降低控制函數(shù)斜率至k，減緩制動(dòng)器松閘速率，這一過(guò)程中錨鏈輪持續(xù)處于增速狀態(tài)（0＜N＜N0段）；當(dāng)錨鏈輪轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時(shí)，PLC將控制函數(shù)斜率k取反變?yōu)?k，電比例調(diào)壓閥輸出壓力降低，制動(dòng)器開(kāi)始緩慢抱閘，錨鏈輪轉(zhuǎn)速降低（N≥N0段）；當(dāng)錨鏈輪轉(zhuǎn)速再次低于設(shè)定值時(shí)，PLC將控制函數(shù)斜率變回k，電比例調(diào)壓閥輸出壓力提升，制動(dòng)器緩慢松閘，錨鏈輪再次進(jìn)入加速狀態(tài)；如此往復(fù)循環(huán)直至完成重力拋錨。

式（3）中變化速率可根據(jù)式（1）和式（2）以及錨重、錨機(jī)制動(dòng)器具體技術(shù)參數(shù)等，按照文獻(xiàn)[4]-[5]中提供的錨下落運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行初步估算，并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)修正。其中k0的選取一般應(yīng)滿足2 s≤t≤3 s時(shí)，制動(dòng)力矩T與外負(fù)載平衡，即重力拋錨開(kāi)始約2 s～3 s時(shí)，錨鏈輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值N0可根據(jù)實(shí)際使用需求和文獻(xiàn)[6]推薦值進(jìn)行選取。需要注意的是，制動(dòng)器的松閘和抱閘均需要反應(yīng)時(shí)間，錨機(jī)本身也具有在較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此錨鏈輪轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)值N0的增速和減速必定需要一段過(guò)程，即為：

式中：Nmax為錨鏈輪實(shí)際最大轉(zhuǎn)速，r/min；Nmin為錨鏈輪實(shí)際最小轉(zhuǎn)速，r/min。

進(jìn)一步分析可知，為了盡可能使得Nmax和Nmin趨近于N0減小拋錨時(shí)的速度波動(dòng)，錨鏈輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)后的加速度值必須盡量小，即k值應(yīng)盡量小，建議不超過(guò)控制油壓總變化量的5%。

3 重力拋錨實(shí)船試驗(yàn)

為驗(yàn)證重力拋錨控制系統(tǒng)的有效性，需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本項(xiàng)目中實(shí)船拋錨試驗(yàn)的設(shè)備參數(shù)如表5所示。

表5 試驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)

試驗(yàn)方案如下。

1）選擇水深30 m左右的錨地作為試驗(yàn)環(huán)境，車舵配合調(diào)整船舶姿態(tài)為頂流，退速約1 kn。

2）備錨，通過(guò)液壓馬達(dá)將放出1節(jié)錨鏈，此時(shí)錨距離海底約為20 m，脫開(kāi)錨鏈輪離合器，準(zhǔn)備開(kāi)始重力拋錨。

3）按下制動(dòng)器松閘按鈕，開(kāi)始重力拋錨，拋出2節(jié)錨鏈后停止。

4）觀察錨鏈狀態(tài)，待錨鏈?zhǔn)芰螅俅伍_(kāi)始重力拋錨，拋出1節(jié)錨鏈后停止。

5）重復(fù)步驟4）直至拋出7節(jié)錨鏈。

6）操作錨機(jī)收回錨鏈和錨，完成試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)PLC讀取錨鏈輪轉(zhuǎn)速。分析拋錨速度曲線如圖5、圖6所示。

圖5 拋出第2、3節(jié)錨鏈速度曲線圖

圖6 拋出第6節(jié)錨鏈速度曲線圖

開(kāi)始拋錨時(shí)錨和錨鏈負(fù)載較大，加速過(guò)程明顯，錨鏈運(yùn)行速度最高為4.2 m/s；錨觸底后載荷減小并基本保持穩(wěn)定，后續(xù)拋出的每節(jié)錨鏈運(yùn)行速度顯著降低，平均值約為3.1 m/s。試驗(yàn)結(jié)果表明重力拋錨控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定有效。

4 結(jié)論

本文提出的重力拋錨控制系統(tǒng)基于彈簧帶式制動(dòng)器，利用編碼器和PLC實(shí)現(xiàn)拋錨速度閉環(huán)控制，具有系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)經(jīng)過(guò)更充分驗(yàn)證后可推廣至各類船舶。

根據(jù)所提出重力拋錨控制系統(tǒng)特點(diǎn)，給出控制函數(shù)及其物理意義；在此基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)研究成果，總結(jié)控制函數(shù)中各參數(shù)的選取方法，為后續(xù)相關(guān)研究和改進(jìn)提供一定理論基礎(chǔ)。

開(kāi)展實(shí)船拋錨試驗(yàn)，結(jié)果表明所提出的重力拋錨控制系統(tǒng)基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以滿足船舶使用需求。